所有文章 > 正文

具有三明治排列特征的全新手性,南京大学/美国德州理工大学李桂根团队发现多面3D手性

作者: Research编辑部

时间: 2019-11-27 14:31

南京大学/美国德州理工大学李桂根团队报道了一种全新的多面3D手性。该手性具有三明治排列特征:由三个几乎平行的层面组成,中间层面为中心层,上下两个面是相互依存,相互制约, 以避免镜像异构体可能的异构化。多面3D手性分子和其前体化合物表现出了正常有机小分子极少具备的特征:形成长棒或雀巢穴型固体。同时表现出多种色彩的荧光和AIE,其中一些分子显示出超强的旋光特征。该团队以题为 “Multilayer 3D Chirality and Its Synthetic Assembly”发表在Research上 (Research, 2019, 6717104, DOI: 10.34133/2019/6717104)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

5901.png

5912.png

5902.png

论文地址:https://spj.sciencemag.org/research/2019/6717104/

1

手性可以追溯到地球上生命的起源。它广泛存在于自然界的动植物的功能分子及其折叠的高级结构中,其中的多面手性在DNA/RNA和蛋白质的结构里充分体现(图1)。

5903.jpg

图1 DNA/RNA和蛋白质中的多面手性

到目前为止,用多面手性分子来模拟或修饰DNA/RNA还未实现,因为此类有机小分子还未被设计和合成出来。手性在材料科学和其应用的研究中的作用也显得很重要,如液晶,偏振光及许多其他光电材料。在现代生物医药中,很多药物分子需要利用手性来控制药理作用,提高药用效率,减少和降低对人体的副作用, 因此,手性在生物医药和化学制药中也起到了关键作用,具体表现在药物的设计和研发方面。手性因其在生物、化学、材料和交叉学科中的特殊地位,一个多世纪以来一直受到科学界和社会大众的广泛关注。

2

众所周知合成化学是中心学科之一,所有的非天然物质,天然产物的模拟和修佈都需要经过人工合成。而手性化学,尤其是不对称合成和不对称催化反应的研究已经成为化学中最为活跃的领域之一。文献中的手性可分为以下几类:中心手性,轴手性(主要基于诺贝奖成果BINAP), 螺旋手性,双面手性(主要基于诺贝奖成果二茂铁)(图2)。

5904.png

图2 文献中手性的类型

以往研究中,学术界关于稳定的多面3D手性小分子的努力一直未能成功。学术界一直在期待着第五类手性的诞生。

3

多面3D手性是李桂根团队在进行开发GAP化学(Group-Assisted Purification 化学)项目过程中发现的。GAP化学指的是在反应底物中引入特殊的手性或非手性官能团来进行合成反应,由于此类官能团的存在,油状产物自动转变成固体;几乎所有的GAP固体产物的纯化,只需要在过滤漏斗中简单洗涤,从而避免了传统的色谱(使用大量的硅胶和溶剂)和重结晶纯化,让合成化学更加绿色环保。该团队已经成功利用GAP技术回收和循环使用有机催化剂,还发现有些特定的GAP官能团能够提高反应产率,尤其是在实现多肽产品的定量或接近定量合成中。GAP化学是第一个集于四个要素:试剂、反应、分离和提取(物理和化学要素),与一体的概念(图3)。

5905.jpg

图3  GAP化学和技术示意图

4

为寻找新的具有手性且高效的GAP试剂,研究人员尝试在1,2-双氨上引入2个8-苯基萘基团,希望可以更好地控制GAP试剂的反应性和不对称反应的选择性。但化学合成未能成功,主要问题是在双C-N键偶联的步骤。传统的催化体系下偶联反应不能进行,或者反应产率极低。通过对Buchwald-Hartwig 偶联反应的条件和对底物的筛选,双C-N键偶联反应得以进行, 从而使得GAP产物(新的磷酰氨)的多步全合成顺利完成 (图4)。

5906.png

图4 多面3D手性化合物的全合成

进一步通过使用手性高压液相色谱方法,分离出它的两个镜像异构体,并且得到其中一个镜像异构体的单一晶体。对其进行X射线衍射分析,惊喜地发现了一种全新的多面3D手性。使用同样方法,又分离出磷酰氨前体(磷酰氯)的镜像异构体,并且进一步将磷酰氯转化成一系列多面3D手性衍生物(图5)。

5907.png

图5 多面3D手性衍生物的转化

更有趣的是,多面3D手性化合物和前体表现与正常有机小分子不一样的物理特征:形成长短不一的棒状固体,长度可达几厘米(图6B); 当它们在一个适当大小的圆底烧瓶中蒸发时,形成雀巢穴型网状结构和多种具有规则的图案 (图6C&D)。同时,文章中所有的多面3D手性化合物表现出多种色彩荧光 (图6A) 和AIE(聚集诱导发光)特性。其中一些分子显示出超强的旋光特征,为今后研究新型液晶,偏振光及其它光电材料提供了新的分子基础。

5908.jpg

图6 多面3D手性化合物和前体的物理表现

值得一提的是,在一系列多面3D手性衍生物中,手性有机磷化合物占据着特殊地位,因为它们可以形成手性磷配体,而手性磷配体在很多过渡金属催化和有机小分子催化不对称反应中起着重要的作用。手性磷配体催化的不对称加氢(诺贝奖成果)是目前为止最成功的不对称催化反应,并且在工业界得到广泛应用,然而设计和合成更有效的手性磷配体,以便提高催化反应活性和选择性方面,仍然具有挑战性。发展新型高效手性磷配体在今后相当长的一段时间内,仍旧是手性化学的热点。为此,多面3D手性的发现为新型手性磷配体提供了全新的不对称诱导环境和工具,而且几乎所有的催化单元或催化中心都可以镶嵌到多面3D的框架上,以控制不对称有机反应用于新型药物和有机材料的合成和生产。

5

新发现的多面3D手性与传统手性的本质性区别,主要表现在以下几个方面:

①中心面的上下两个面是相互依存,相互制约,从而避免镜像异构体的异构化;

②多面3D手性的三明治特征,有别于二茂铁三明治,前者的夹心是有机单元,而后者是金属。稳定两种三明治的化学键也不同,前者是C-C 键, 而后者是C-金属键;

③BINAP类型的轴手性分子,只能有两个镜像异构体存在。多面3D手性,在三个不同芳香层面的情形下,最多可能达到48种异构体;

④多面的pseudo C2 非对称结构元素也是第一次被报到 (C2and pseudo C2 asymmetry) (图7);

⑤多面3D手性让真正的层面分子意义上的模拟或改造DNA/RNA成为可能 (DNA/RNA chiral mimic);

⑥多面3D手性表现出超强的旋光特征,同时显示出多种色彩的荧光和聚集诱导发光。

5909.png

图7 多面3D手性的C2and pseudo C2非对称性对比

6

稳定的多面3D手性在Research上的发表,标志着第五类手性的诞生。初步结果表明,它有望领引出新的研究领域,并在未来的化学、医药和材料科学领域里产生广泛而深远的影响。与此同时,由此衍生出的多面3D手性和潜手性化合物和相关物质产品,将来会有经济应用价值。多面3D手性为不对称合成和不对称催化提供了新思路,开辟了一条新通道。

7

5910.jpg

李桂根现任美国德州理工大学最高荣誉教授(Paul Whitfield Horn Professor) 和南京大学Adjunct教授。中国国家级特聘专家和杰出青年基金获得者(B类, 2009)。1995年至1997年在美国Scripps研究所博士后工作期间,在K. Barry Sharpless教授的2001年诺贝尔化学奖研究课题—Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation (Sharpless AA 反应)中起到核心作用。

李桂根共发表论文 330余篇,h-Index = 53,其中7篇论文为 top 1% 高被引论文,其中一篇为领域热点论文;连续几年入选“中国高被引学者” 。连续多年参加中美两国国家级项目的评审。

主要学术贡献:(1)发现并定义多面3D 手性,有机三明治手性,多面pseudo C2 对称性 。(2) 建立新型手性GAP试剂和 GAP化学和技术应用,实现无需柱层析或重结晶的绿色化学合成。(3)实现金属催化烯烃/炔烃的胺卤化和双胺化反应(4)建立世界上第一台多肽液相合成仪的  (as a co-founder of USA company called“GAPetides, LLC”: www.GAPPeptides.com);(5)提出了GASyn 化学 (Group-Assisted Synthesis 化学) 新概念,利用官能团的设计来提高有机合成的效率。(6)实现不对称催化allenoate/allenolate的Aldol 反应,并具用于beta卤代Morita-Baylis-Hillman (MBH)产物的合成, 同时实现非路易斯碱诱导的MBH反应。

往期回顾:

中国科大俞书宏院士团队制备火柴棒状PdSx-Ni3S4异质结催化剂

将图像直接投射到视网膜上的3D眼镜来了!剑桥大学与华为慕尼黑团队在3D显示又取得最新进展

[关于转载]:本文为“Research科学研究”微信公众号文章。转载本文请联系原作者获取授权,转载仅限全文转载并保留文章标题及内容,不得删改、添加内容绕开原创保护,且文章开头必须注明:转自“Research科学研究”微信公众号。谢谢您的合作。

二维码 扫码微信阅读
推荐阅读 更多